本發(fā)明屬于光學元件制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可滿足60K低溫環(huán)境使用的10.3μm～11.3μm長波紅外濾光片。

背景技術(shù)：

長波紅外濾光片在光學分析儀器、光學探測器方面都有廣闊的應(yīng)用前景，主要用于對地成像觀測和光譜分析監(jiān)測，我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項，也對長波紅外濾光片提出了研發(fā)需求。

大視場紅外多光譜掃描儀用長波紅外濾光片濾光片，要求通帶平均透過率高、抑制帶截止深度深、通帶波紋系數(shù)小、截止范圍寬，可適用于60K低溫和地面環(huán)境條件，具有高可靠性和高穩(wěn)定性。

由于長波紅外濾光片是封裝在探測器前使用，工作環(huán)境特殊，其需滿足從低溫極限值60K到高溫極限值80℃的瞬間溫度沖擊，采用常規(guī)方法制備濾光片，會出現(xiàn)低溫下濾光片中心波長漂移和膜層脫落的現(xiàn)象，低溫短波紅外窄帶濾光片一直是光學薄膜研究的重點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)發(fā)明目的

本發(fā)明的目的是：提供一種10.3μm～11.3μm長波紅外濾光片，提高光譜掃描儀分辨率和成像質(zhì)量。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種長波紅外濾光片，其包括：基板2和沉積在所述基板2兩側(cè)表面上的長波通膜系和短波通膜系，長波通膜系為：A/2.2(0.5LH0.5L)⁴L 1.8(0.5LH0.5L)⁸L1.4(0.5LH0.5L)⁸L 0.8(0.5LH0.5L)⁴1.4H 0.52L/S，短波通膜系為：A/1.8(0.5HL0.5H)¹¹(0.5HL0.5H)¹² 1.5(0.5LH0.5L)⁷(0.5LH0.5L)¹⁰0.85(0.5LH0.5L)¹⁰/S，膜系中的符號含義：A為空氣，S為Ge基底，H為高折射率材料Ge，L為低折射率材料ZnS。

其中，所述基板2選用直徑為20mm、厚度為1mm±0.05mm的Ge基板，其表面光圈N≤2，局部光圈ΔN≤0.5，不平行度＜20″，表面光潔度B＝Ⅴ。

本發(fā)明還提供了一種長波紅外濾光片的制備方法，其包括以下步驟：

S1：真空室清潔；

S2：鍍膜前基板清洗；

S3：真空室準備

在真空室電子槍坩堝內(nèi)預(yù)置鍍膜材料鍺、硫化鋅；

S4：膜層鍍制

打開離子源，用離子束清洗基板；按照基板兩側(cè)表面上的長波通膜系和短波通膜系結(jié)構(gòu)，利用電子束蒸鍍方法進行鍺膜層沉積，利用離子束輔助的電子束蒸鍍方法進行硫化鋅膜層沉積。

其中，所述步驟S4中，將鍺和硫化鋅交替蒸鍍到基板表面時，鍺膜沉積時，控制沉積速率0.5-0.8nm/s；硫化鋅膜沉積時，離子源氬氣氣體流量18±2sccm，離子源束壓180V～220V，離子源束流80V～110V，沉積速率0.5-0.8nm/s。

其中，所述步驟S1中，用噴砂機清洗鍍膜機真空室防護屏、電極、擋板和工裝，然后用脫脂紗布蘸無水乙醇擦凈真空室。

其中，所述步驟S2中，依次用脫脂紗布和脫脂棉布蘸體積比為1：1的乙醇、乙醚混合溶液擦凈基片表面。

其中，所述步驟S3中，所述電子槍坩堝內(nèi)預(yù)置鍺、硫化鋅的純度不小于99.99％，其預(yù)置量為：1000mm鍍膜機，鍺、硫化鋅分別為180g、220g。

其中，所述步驟S4中，膜層鍍制時，離子源采用氬氣作為工作氣體，工作氣體純度不小于99.995％，氣體流量18sccm-22sccm。

其中，所述步驟S4中，膜層鍍制時，離子束清洗基板后，將基片加熱到200±10℃，并保持1h。

其中，還包括步驟S5：基板降溫，在真空不低于2×10^-3Pa，基板降溫到80±8℃，關(guān)閉抽真空系統(tǒng)，真空室降到室溫后取出濾光片。(三)有益效果

上述技術(shù)方案所提供的長波紅外濾光片，濾光片達到優(yōu)良的技術(shù)指標，背景深度高，透射帶的上升和下降沿陡度分別為2％和2.2％，通帶10.3μm～11.3μm平均透過率達88％，截止帶最大透過率小于1％，可起到限制光譜范圍，抑制背景干擾，提高目標分辨率；濾光片性能穩(wěn)定；濾光片制備工藝簡單。

附圖說明

圖1為長波紅外濾光片正面與反面膜層排列示意圖，其中1面和3面分別沉積長波通和短波通膜系，2為基板。

圖2為本專利產(chǎn)品在低溫(60K)下濾光片光譜透過率與波長的實例曲線。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。

為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明通過設(shè)計、試驗，研制出一種10.3μm～11.3μm紅外濾光片，它以鍺(Ge)為基底，鍺(Ge)和硫化鋅(ZnS)為膜層材料，采用真空薄膜沉積方法制備，制備濾光片通帶范圍10.3±0.05μm～11.3±0.05μm，平均透過率≥85％，10.3μm和11.3μm處陡度Δλ/λ0≤4％，在1μm～10μm和11.8μm～15μm波長范圍內(nèi)的最大透過率≤1％，帶寬≥1.0μm，產(chǎn)品光學性能、膜層的物理強度和環(huán)境適應(yīng)性滿足實際使用要求。

具體地，參照圖1所示，本實施例長波紅外濾光片包括基板2和沉積在基板2兩側(cè)表面上的長波通膜系和短波通膜系，長波通膜系為：A/2.2(0.5LH0.5L)⁴L 1.8(0.5LH0.5L)⁸L 1.4(0.5LH0.5L)⁸L 0.8(0.5LH0.5L)⁴1.4H 0.52L/S，短波通膜系為：A/1.8(0.5HL0.5H)¹¹(0.5HL0.5H)¹²1.5(0.5LH0.5L)⁷(0.5LH0.5L)¹⁰0.85(0.5LH0.5L)¹⁰/S，膜系中的符號含義：A為空氣，S為Ge基底，H為高折射率材料Ge，L為低折射率材料ZnS。

進一步地，基板2選用直徑為20mm、厚度為1mm±0.05mm的Ge基板，其表面光圈N≤2，局部光圈ΔN≤0.5，不平行度＜20″，表面光潔度B＝Ⅴ。

上述長波紅外濾光片沉積方法的具體步驟如下：

第一步：真空室清潔

用噴砂機清洗鍍膜機真空室防護屏、電極、擋板和工裝，清洗后，被清洗件表面不得有膜層附著，然后用脫脂紗布蘸無水乙醇擦凈真空室。

第二步：鍍膜前清洗

依次用脫脂紗布和脫脂棉布蘸體積比為1：1的乙醇、乙醚混合溶液擦凈基片表面，并用“哈氣法”檢驗基片表面，直至無油污、塵粒、擦痕為止。

第三步：真空室準備

將適量的鍍膜材料鍺、硫化鋅放入電子槍坩堝內(nèi)(對于1000mm鍍膜機，鍺、硫化鋅分別為180g、220g)，鍍膜材料純度不小于99.99％，用洗耳球吹基片表面，然后立即關(guān)閉真空室門。

第四步：膜層鍍制

真空度不低于2×10^-3Pa，打開旋轉(zhuǎn)架開關(guān)，旋轉(zhuǎn)工件架，打開烘烤，設(shè)定烘烤溫度。再依次打開電子槍偏轉(zhuǎn)電源、燈絲電源及高壓槍。

打開離子源，用離子束清洗基板5min，離子源采用氬氣作為工作氣體，工作氣體純度不小于99.995％，氣體流量18sccm-22sccm，鍺利用電子束蒸鍍方法進行膜層沉積，硫化鋅利用離子束輔助的電子束蒸鍍方法進行膜層沉積。

將基片加熱到200±10℃，并保持1h。

按設(shè)計膜系，將鍺和硫化鋅交替蒸鍍到基板表面，鍍膜材料沉積參數(shù)如下：

(1)鍺膜沉積

調(diào)節(jié)電子槍電流，充分均勻預(yù)熔膜料，打開擋板，控制沉積速率0.5-0.8nm/s；

此工藝參數(shù)能減少鍺膜層吸收，提高濾光片透射性能，實現(xiàn)應(yīng)力匹配，滿足濾光片低溫環(huán)境適應(yīng)性。

(2)硫化鋅膜沉積

離子源氬氣氣體流量18±2sccm，離子源束壓180V～220V，離子源束流80V～110V，調(diào)節(jié)電子槍電流，充分均勻預(yù)熔膜料，打開擋板，沉積速率0.5-0.8nm/s；

此工藝參數(shù)能提高硫化鋅膜層穩(wěn)定性，提高膜層聚集密度，實現(xiàn)與鍺膜層應(yīng)力匹配，提高濾光片環(huán)境適應(yīng)性能，以及低溫環(huán)境適應(yīng)性，避免硫化鋅的折射率溫度系數(shù)和熱膨脹系數(shù)低溫漂移。

第五步，基板降溫。

在真空不低于2×10^-3Pa，基板降溫到80±8℃，關(guān)閉抽真空系統(tǒng)，真空室降到室溫后取出沉積鏡片。

組成本濾光片的長波通和短波通在低溫60K下存在波長漂移，為滿足低溫濾光片技術(shù)指標要求，需進行濾光片低溫測試，低溫測試較復雜。采用如下方法:

測試濾光片長波通鍍膜控制中心波長λ_CL，常溫測試中心波長λ_NL，低溫測試中心波長為λ_LL，設(shè)計控制中心波長λ_dL，則可調(diào)整長波通鍍膜控制中心波長為λ_KL，滿足同樣通過此種方法分別調(diào)整短波通控制波長，實現(xiàn)低溫濾光片制備。

λ_LL與λ_dL偏移量小于±150nm，則低溫透射帶的上升沿的波長λ_LU與常溫透射帶的上升沿的波長λ_NU以及常溫滿足關(guān)系式：λ_LU＝λ_NU+(λ_LL-λ_NL)。同樣此種方法適用于下降沿波長。

實際證明推導結(jié)果與實際測試結(jié)果相符。避免產(chǎn)品反復低溫測試，只需常溫測試即可確定低溫數(shù)據(jù)。

本專利濾光片已實現(xiàn)工程化應(yīng)用。

由上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下顯著特點：

(1)濾光片達到優(yōu)良的技術(shù)指標，背景深度高，透射帶的上升和下降沿陡度分別為2％和2.2％，通帶10.3μm～11.3μm平均透過率達88％，截止帶最大透過率小于1％，可起到限制光譜范圍，抑制背景干擾，提高目標分辨率。

(2)本專利濾光片性能穩(wěn)定。濾光片由長波通和短波通組成，避免單面膜層厚度增加所產(chǎn)生的膜層應(yīng)力、面型等問題，能耐60K到80℃的瞬態(tài)溫度沖擊。

(3)本專利濾光片制備工藝簡單。通過分別調(diào)整長波通和短波通控制波長保證濾光片光譜性能。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。